微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

固体激光微通道冷却器内流动特性的数值模拟

建立了固体激光微通道冷却器数学模型,运用商业软件Fluent进行求解计算,并与文献中数据进行对比,验证了模型的可靠性。分析微通道尺寸及结构对转捩雷诺数影响,结果表明:微通道当量直径对于转捩雷诺数影响甚微,收缩比的大小是引起转捩雷诺数不同的关键因素,最终确定了不同收缩比下的转捩雷诺数。     

U型通道内部流动与换热的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机叶片内部U型通道内流动与顶部换热特性.采用SST k-ω模型,分析了U型通道内光滑和带凹坑顶部结构以及不同Re数和旋转数对U型通道内部流动和顶部换热的影响。结果表明:在静止条件下,带凹坑结构的通道顶部Nu数较高,并且随着凹坑深度的增加,通道顶部换热能力增强;并且凹坑结构对通道压降的影响较小。随雷诺数增大,凹坑对通道顶部换热增强的幅度降低。在旋转状态下,随着旋转数的增加,通道顶部换热能力增强,但通道压降增大。     

表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响

基于分形几何学,研究了表面粗糙度的分形特征.采用Weierstrass- Mandelbrot函数对多尺度自仿射的表面粗糙度进行了描述;建立了微通道内层流流动的三维模型并对表面粗糙度的影响进行了数值模拟,分析了雷诺数、相对粗糙度和分形维数对流动阻力特性的影响.研究结果表明,与常规尺度通道不同,粗糙微通道的Poiseuille数不再是常数,而是随雷诺数近似线性增加;相对粗糙度越大,流动产生的回流和分离所导致的流动压降越明显.在相同的相对粗糙度下,粗糙表面的分形维数越大,表面轮廓变化就越频繁,这也将导致流动阻 关键词： 粗糙度 层流阻力系数 微通道 分形     

基于纳米磁流体微通道内流动换热性能研究

为探究磁场强度和肋片高度对微通道内Fe₃O₄-H₂O纳米磁流体流动换热性能的影响,采用数值模拟的方法,以开放式间断微通道热沉为研究对象,在雷诺数为200到500之间展开数值模拟研究,模拟微通道内流体工质流动换热过程。结果表明：进出口压降随雷诺数的增大而增大,且随着磁场强度的增大,压降的增大趋势愈显著;微通道的换热性能随着磁场强度的增大,呈现出先增大后减小的趋势;通过增加肋片高度,可以有效的提高热沉的传热性能。研究发现,开放型微通道综合换热性能优于封闭型,在所研究的参数范围内,微通道肋片高度达到0.9 mm时,综合换热性能和均温性最佳。     

微通道内流体流动的阻力特性

本文重点研究了微通道内入口效应和粗糙度等因素对流动阻力特性的影响。实验结果表明;对于粗糙度3.5%,水力直径为345μm的微圆管,入口段长度比常规管道短,转捩雷诺数Re_c位于2000～2300,其内入口效应并不影响微管内流体从层流到湍流转捩的拐点位置;内径为112.6μm和169.8μm,高宽比为0.59和0.63以及粗糙分别为1.29%和2.03%的矩形微通道内流动由层流向湍流的转捩发生在Re≈1600～2800之间。实验结果表明,微尺度是微管内流体转捩提前的必要条件,但不是充分条件,拐点提前是由多因素综合作用所造成的结果,其机理有待于进一步研究。     

流量分配对逆流微通道内流动沸腾影响的研究

微通道内的沸腾两相流动是解决高热流密度下微电子设备散热最有潜力的手段之一。本文基于逆流式微通道热沉设计,实验研究了不同流量调配下逆流式微通道内的流动沸腾特性。讨论了流量分配对微通道内流动沸腾过程中传热特性、压降分布和壁面温度演化规律的影响。实验结果表明：当逆流式通道两侧的质量流量相同时,壁面呈现较好的温度均匀性,且两侧流动压降基本保持一致。两侧流量相差越大,其对应最大两相压降偏差越大。逆流式微通道的壁面温度分布和局部热点的位置可以通过改变两侧质量流量的大小实现有效控制。同时,微通道内流体的演化周期同样可以根据两侧质量流量的高低实现调控。     

微通道内沸腾流动与传热特性耦合机理研究

以水为工质，模拟研究不同条件下水平矩形微通道沸腾流动过程中气泡发生发展及流型演变与温度、压力、传热系数的耦合关系。结果表明：持续吸热的弹状流会占据通道大部分流动区域，易造成堵塞和局部高温；泡状流区域压力波动幅度较小，较长弹状气泡和大雷诺数均会导致较大的局部压降；升高热流密度减小了单相区长度，强化了核态沸腾，提高了通道整体传热性能；增大雷诺数使得通道内气泡尺寸减小，减少了两相流动的不稳定与堵塞现象，通道整体传热性能得以提升。     

液态锂在铜的微通道中的流动行为

本文采用分子动力学方法模拟了液态锂在铜的微通道内的流动行为. 通过构建铜(111), (100)和(110)晶面的微通道内壁, 研究了液态锂在流固界面上的微观结构以及在铜微通道中的流动速度分布情况, 并探讨了微通道尺寸对液态锂流动行为的影响. 研究结果表明铜微通道内的液态锂在靠近铜固体壁附近区域呈有序的层状结构分布, 并受铜内壁晶面微观结构的影响. 铜(111)和(100)面内壁附近的液态锂有序层分布结构更明显. 外驱力作用下的液态锂在微通道内的流动速度呈抛物线分布, 流固界面和流动方向对液态锂的流动速度都会产生影响. 液态锂在铜(111)面内壁上流动的速度最大, 且出现了速度滑移; 在铜(110)面内壁上流动速度最小. 通过对不同尺寸的微通道内液态锂流动行为的研究, 发现流动速度的大小随着微通道尺寸的增加而增大, 且最大速度与微通道尺寸呈二次函数关系, 与有关理论计算结果符合得很好.     

粗糙平板微通道流动和传热的数值模拟

以粗糙平行平板微通道为研究对象,以三角形锯齿状粗糙元模拟固体表面的粗糙度,采用CFD流体固体共轭传热技术数值研究了绝对粗糙度和相对粗糙度对平行平板微通道流动和传热特性的影响,着重分析了粗糙度和流体速度对水力入口段长度和热力入口段长度的影响规律,同时研究了相对粗糙度对微通道转捩雷诺数的影响,为进一步揭示微微通道的流动和传热机理提供了依据.     

微通道蒸发器扁管内制冷剂流动特性模拟分析

采用微通道蒸发器二维模型,研究不同R134a入口雷诺数下,其在蒸发器内的流动及流量分配特性。模拟与实验结果最大误差小于23.8%,验证了模型的可靠性。结果表明,随着雷诺数的增大,蒸发器底部扁管入口速度近似线性增加,扁管低压区从蒸发器中间扁管逐渐上移,压降不断增加,降幅最高可达71%。     

电动汽车空调室外换热器空气侧流动换热模拟研究

采用数值模拟方法对室外微通道换热器翅片侧空气流动换热性能进行仿真计算, 探讨了在制冷工况下,不同百叶窗结构对微通道换热器空气侧传热及流动特性的影响. 结果表明j 因子的模拟结果与实验关联式之间的平均偏差在7.8% 以内,f 因子的平均误差在7.35 % 以内, 符合工程应用要求. 雷诺数较低时, 传热因子j 和阻力因子f 都随Fp 的增大而减小, 雷诺数较高时,Fp 对两者的影响不明显; 随着开窗角度增加换热器换热系数会呈现先增加后减小的趋势, 同时压降会随开窗角度的增大而有所升高.     

梯形平行流换热器流量均布性模拟研究

运用数值模拟的方法,通过改变入口Re数分析U型和Z型两种不同进出口结构的梯形微通道换热器。研究表明:随着入口速度的增加,两种结构的总流量分配不均匀度变大,Z型结构梯形微通道换热器的不均匀度增加了约89.7%,U型结构梯形微通道换热器不均匀度增加了约87.7%,U型结构梯形微通道整体不均匀性比Z型结构梯形微通道不均匀性增加了12%-31%。入口速度较低时,两种结构梯形微通道的进出口压降比较接近,随着入口速度的增加,U型结构的进出口压降逐渐大于Z型。     

粗糙微管道内液体流动特性的实验研究

利用实验方法研究了粗糙度对矩形截面微管道内液体流动阻力特性的影响，采用微观粒子图像测速技术测量了粗糙微管道内的流场结构.实验结果表明：在层流状态下，3%—7%的相对粗糙度可以导致微管道内流动阻力的明显增加，在粗糙单元附近形成的压差阻力是导致流动阻力增加的主要原因.粗糙单元还会引起微管道内的流动失稳，导致粗糙微管道内层流向湍流的转捩提前. 关键词： 微管道 粗糙度 微观粒子图像测速 转捩     

带扰流微细槽道冷却系统的实验研究

 针对高热流密度器件的散热问题,设计了有扰流微细槽道散热器。采用去离子水为工作介质,对其内流动和换热特性进行实验研究,结果表明：流体流过槽道时单位长度压降与雷诺数成正比,扰流对槽道内压降特性影响较小;存在最佳的雷诺数使有无扰流情况下槽道内换热努谢尔特数差别最大,并拟合了不同情况下努谢尔特数和雷诺数的关系式;采用进口段无量纲加热长度分析发现,扰流导致流体的热进口段长度增加;分析压降和进口热阻特性可以发现,在槽道长度一定时存在最佳流速使带扰流的微槽道的性能最佳。     

平行多微通道入口突缩压降系数的实验研究

本文实验研究了平行多微通道入口处的特殊突缩结构所引起的单相气体流动压力损失。通过测定压缩空气流经通道入口前后的温度、压力和流量,得到了压力损失系数与单个微通道内流体Re数(3100～19000范围内)之间的关系式,与相关文献结果对比发现,现有的基于常规尺寸和微细尺寸的单通道突缩压降系数经验关联式不能正确预测平行多微通道入口突缩压力损失系数随Re数的变化。另外该关联式还能较好地预测饱和水蒸气的单相流动突缩压降系数。     

较高雷诺数下百叶窗翅片倾斜角对传热的影响

本文建立了一种百叶窗翅片的二维模型,并使用ANSYS Fluent对较高雷诺数下百叶窗翅片的不同倾斜角度对流体流动和传热的影响进行了研究.结果表明,在翅片倾斜角等于33°时,努塞尔数达到最大值,翅片的传热性能最好,在相同雷诺数下,压降随倾斜角度的增加不断增大.在相同的倾斜角度下,雷诺数增加,努塞尔数增大,但同时压降也会变大.通过相同泵功下的换热量来衡量百叶窗翅片的综合性能,得到在倾斜角为19°时,翅片的综合效能最高。     

粗糙表面形貌对微尺度流动换热的影响

基于分形几何定量描述了多尺度自仿射的粗糙表面形貌,建立了微通道内层流流动换热的理论模型并对表面形貌的影响进行了数值模拟.研究表明,自仿射分形维数直接反映了表面轮廓的不规则度,对于两个具有相同统计粗糙度的轮廓,可能存在不同的分形维数;与常规尺度通道不同,雷诺数、粗糙高度和粗糙表面分形维数都对微通道内层流流动换热有着重要影...     

基于康托尔分形微通道流动与传热的模拟

高密度、 小体积和高集成的电子元器件散热困难, 易造成过早失效, 采用微通道换热器可以实现小体积内高热流的散热, 但流动阻力很大. 为了保证传热效果, 降低流动阻力, 本文提出了一种新型的微通道结构并对其流动与传热特性进行了数值模拟. 首先研究了微通道形状和结构, 模拟结果表明: 进出口截面宽高比为0.8 的矩形微通道的换热效果最好; 并在此基础上提出一种康托尔分型凹槽结构, 研究了有无康托尔分形以及不同分形级数对流动与传热性能的影响, 综合对比发现: 第二级康托尔分形模型 N2 既能保证热阻显著降低, 又能相比阵列结构降低压降, 具有明显的换热优势; 最后对这种康托尔分形结构的凹槽形状, 尺寸及不同方向上的分形进行研究, 结果表明梯形凹槽的下上表面长度比b/a 为0.6 、 流动方向分形比fx 为1 .25 和通道高度方向分形比fy 为1 .5 时换热流动性能最佳.     

不同纳米流体在微通道内的流动传热特性研究

采用数值模拟的方法研究了不同工质在微通道内流动传热特性的差异。对比了去离子水、纳米流体Al₂O₃/Water、CuO/Water、TiO₂/Water、Cu/Water等工质在微通道内的流动传热特性,并研究了纳米颗粒的浓度对流动换热特性的影响。结果表明：CuO/Water作为冷却工质时的对流换热系数比水增加了9.6%,微通道底面平均温度降低了2.6 K,换热性能明显优于其他几种纳米流体。由于纳米颗粒的加入,纳米流体的粘度比水大,进出口的压降比水大。纳米颗粒的体积分数越大,对流换热系数越大,纳米流体在微通道内的换热性能越好。